Закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона. Диполь

ФИЗИКА

Часть 2.

Электричество и магнетизм.

Оптика. Квантовая физика.

ПРЕДИСЛОВИЕ

 

Предлагаемое учебное пособие предназначено для организации самостоятельной и аудиторной работы на лекционных и практических занятиях по курсу физики со студентами биологического факультета педагогического вуза. Оно подготовлено по разделам “Электричество и магнетизм”, «Оптика» и «Квантовая физика» в соответствии с государственными образовательными стандартами высшего профессионального образования для указанной специальности.

Материал распределен по основным темам, изучаемым в данных разделах физики: 1) электростатика; 2) постоянный электрический ток; 3) магнитное поле и электромагнетизм; 4) элементы геометрической и волновой оптики; 5) квантовая и атомная физика. По каждой теме, во-первых, достаточно подробно приведен теоретический материал, позволяющий использовать пособие в качестве конспектов для подготовки к экзаменам или зачетам. Во-вторых, представлен набор задач для самостоятельного решения, позволяющий использовать пособие для организации практических занятий, а также для проведения письменных контрольных работ. В-третьих, по каждой теме приведен перечень вопросов для самостоятельного изучения, которые включены в программу изучения дисциплины и которые могут служить основой тематики рефератов

Пособие не исключает работу с учебниками и задачниками для вузов, более того, ряд вопросов в него не вошли в связи с дефицитом аудиторного времени и ограниченными возможностями данного пособия.

ТЕМА 1. ЭЛЕКТРОСТАТИКА

Закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона. Диполь.

 

Все тела в природе способны электризоваться, то есть приобретать электрический заряд. В природе существуют частицы с электрическими зарядами противоположных знаков. Заряд электрона считают отрицательным, а заряд протона – элементарной частицы, которая входит в состав ядра атома, – положительным. Большинство тел электрически нейтрально; число электронов в них равно числу протонов. Если нарушить электрическую нейтральность тела, то оно становится наэлектризованным (заряженным). Тело заряжено отрицательно – значит, оно имеет избыток электронов. Тело, в котором электронов меньше, чем положительно заряженных частиц, заряжено положительно. При взаимодействии одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются.

Электрический заряд обладает свойством дискретности – при электризации электрический заряд изменяется на строго определенное значение, равное или кратное минимальному количеству электричества, называемому элементарным электрическим зарядом. Наименьшая по массе стабильная частица, обладающая элементарным электрическим отрицательным зарядом, называется электроном. Заряд электрона е= 1,6×10^-19 Кл. Масса электрона т_е = 9,11×10^–31 кг. Заряд протона положителен и по модулю равен заряду электрона, его масса т_р = 1,67×10^–27 кг. Заряд тела, состоящего из N заряженных частиц, кратен целым значениям заряда электрона: q=±Ne. Заряд электрона впервые был измерен Р.Э. Милликеном в 1909 г. Дробных зарядов в свободном состоянии не существует.

Опытным путем был установлен фундаментальный закон природы – закон сохранения электрического заряда: алгебраическая сумма электрических зарядов любой замкнутой системы остается неизменной, какие бы процессы не происходили внутри этой системы: .

Единица заряда – кулон (Кл).

Основным законом электростатики является закон взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов. Закон был экспериментально установлен французским физиком Ш. О. Кулоном в 1785 г.: сила электрического взаимодействия между двумя неподвижными точечными зарядами, находящихся в вакууме, пропорциональна произведению зарядов q ₁ и q ₂ и обратно пропорциональна квадрату расстояния r между ними:

где k – коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц физических величин.

Сила направлена по прямой, соединяющей заряды, то есть является центральной. Сила отталкивания , действующая на заряд q₂ со стороны одноименного заряда q ₁, совпадает по направлению с радиусом-вектором r, проведенным из q ₁к этому заряду. Сила притяжения, действующая на заряд q₂ со стороны разноименного заряда q ₁, имеет противоположное направление (рис.1.1). Силы отталкивания принято считать положительными, силы притяжения – отрицательными. В векторной форме закон Кулона записывается в виде:

Коэффициент k в законе Кулона в СИ определяется по формуле:

=9.10⁹Н.м²/Кл², а e _о= Ф/м =8,85.10^-12 Ф/м.

Здесь e _о – электростатическая постоянная.

Таким образом, закон Кулона в скалярном виде: . Этот закон мы сформулировали для вакуума. С учетом среды:

,

где e - диэлектрическая проницаемость среды. Для вакуума e=1. диэлектрическая проницаемость показывает, во сколько раз в данной среде силы взаимодействия между точечными зарядами меньше, чем в вакууме, при одинаковых расстояниях.

Электрическим диполем называется система, состоящая из двух одинаковых по значению, но разноименных точечных зарядов, расположенных на некотором расстоянии l друг от друга. Отрезок прямой l, соединяющий оба заряда, называют осью диполя.

Основной характеристикой диполя является его электрический или дипольный момент – вектор, численно равный произведению ql и направленный от отрицательного заряда к положительному: . Единица электрического момента диполя – кулон-метр (Кл ×м)

Электростатическое поле.